光伏发电逐日跟踪控制系统设计

李燕斌，谭　阳，王海泉，陈金环

(中原工学院电子信息学院，郑州 450007)

摘要：为了提高光伏发电的转换效率，采用视日运动轨迹跟踪与光电跟踪相结合的跟踪方法，基于TMS320F2812为控制核心设计了光伏发电逐日跟踪控制系统。与以往不同的是，对视日运动轨迹跟踪在跟踪控制策略上作了优化，即系统通过天文公式计算并调整电池板到此时后15分钟时刻的太阳位置，等待15分钟再启动光电跟踪校正由计算产生的太阳位置误差，再等待15分钟，完成一次跟踪。实验表明，该系统跟踪精度高、功耗低、稳定性强。

关键词：光伏发电    逐日跟踪   DSP   太阳能电池板

中图分类号:TP29；TM615          文献标识码:A

1引言

光伏发电作为太阳能利用的主要方式之一，由于其受太阳光照间隙性、强度和方向不确定性影响，光电转换效率低，且成本比较高。虽具有清洁环保、储量巨大、可再生等优势，但仍然未被广泛推广运用。为此，人们在研究提高光电转换效率时，采用太阳跟踪技术，设计光伏发电跟踪控制系统，不仅可以提高转换效率，还有效地降低了成本。

2跟踪控制方法的优化

目前，光伏发电跟踪控制系统采取的跟踪方法主要有：光电跟踪与视日运动轨迹跟踪。这两种跟踪方法都存在各自的优缺点。为了提高跟踪精度，人们更多选择了光电跟踪与视日运动轨迹跟踪相结合的混合跟踪控制方法[1]。如文献[2]中，根据不同天气情况，在晴天时，采用光电跟踪模式；在阴天时，切换到视日运动轨迹跟踪模式，两种跟踪模式相互切换实现高精度太阳跟踪的目的。又如文献[3]中，采用两级混合跟踪，第一级采用视日运动轨迹跟踪，第二级采用光电跟踪，且在一个调整周期中先后完成这两种跟踪方法。实际上，这种跟踪方法为滞后跟踪（正向跟踪时）或超前跟踪（反向跟踪时）[4]，即电池板法线始终滞后或超前太阳入射光线。虽然这些跟踪方法可以通过缩短跟踪时间间隔来提高太阳辐射利用率，但增加了系统的功耗和电机启动停止频率，从而减少了电机本身的寿命[5]。为此，本文采取一种交错跟踪方法，可以在不增加系统功耗和电机启动停止频率的条件下提高太阳辐射能量利用。

图1为跟踪模型图。假设系统跟踪过程中，太阳在时刻A处的运行位置和电池板重合，此时控制系统立即启动视日运动轨迹跟踪模式让电机带动电池板旋转到时刻的B处，再等待跟踪时间间隔，太阳运行到C处。在此过程中，太阳运行必定经过B处与电池板位置重合。完成一个周期跟踪调整，如此循环，实现全天自动跟踪太阳的目的。电池板法线与太阳入射光线的位置关系为超前、重合、滞后。若跟踪时间间隔（为小时），可以把太阳运行近似看成是匀速的，则B位置为太阳在和的中间时刻位置。该方法产生的跟踪误差只来源于太阳位置计算的精确和电机本身。本文为了精确跟踪太阳位置，在太阳与电池板重合的时候还可以启动光电跟踪。

图1 跟踪模型图

3系统结构及工作原理

3.1系统结构组成

 系统主要由控制器、时钟模块、光电检测模块、位置检测模块、驱动执行机构、太阳能电池板等部分组成。DSP作为整个控制系统的核心部分，负责运算和控制。时钟模块负责把全年每天的时间信息提供给DSP。光电检测模块包括四象限探测器、调理电路、A/D转换电路等。位置检测模块包括光电编码器、正交编码电路等。驱动传动执行部分包括驱动电路和步进电机、传动机械装置等组成。图2为光伏发电逐日跟踪控制系统结构图。

图2系统结构框图

3.2系统工作原理

    光伏发电逐日跟踪控制系统采用视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合来实现。与以往控制策略不同，对跟踪控制方法作了优化，即在跟踪时刻选择视日运动轨迹跟踪模式调整电池板到后15分钟时刻的位置，等待15分钟，此时再启动光电跟踪模式校正天文公式计算太阳位置产生的误差。当光电检测模块检测到位置信号的电压差值超过阀值，立即将此信号放大，再通过控制器发出指令驱动电机旋转，直至压差小于阀值，保证电池板精确跟踪到太阳。再等待15分钟后，进入下一次跟踪，如此循环，实现全天跟踪。

4硬件设计

DSP控制器因其先进的软、硬件结构，且具有事件模块管理功能及快速的中断处理功能，以及日趋低价位的特点，越来越成为一种极为方便的实现数字化控制的微处理器[6]。因此，本文选用合众达 SEED-DSKF2812开发板作为光伏发电跟踪控制系统的核心。

时钟模块：合众达 SEED-DSKF2812开发板上配置有 X1226 实时时钟 + 串行 EEPROM，可以产生年、月、日、星期、时、分、秒等实时时间信息，还有 512×8-位 EEPROM，采用串行 IIC 与微处理器接口，可以用来存储定值，非常适合于工业控制场合。X1226与F2812及晶振连接如图4。

图3 X1226与F2812及晶振连接图

光电检测模块：图4是四象限探测器的模型图，它是光电检测的主要部分。本文选用Silicon PIN四象限光电探测器QP50-6TO8S。该器件为反向偏置的半导体二极管阵列，由于器件象限化，因此当被测物的光斑辐射到器件各象限的辐射通量相等时，各象限输出的光电流相等。当目标发生偏移时，象限辐射量的变化将引起各象限输出光电流的变化，由此可以测出太阳的方位并实现跟踪。

图4 四象限探测器模型图

图5 两象限压差检测电路图

驱动执行机构：本文选用直流减速电机作为驱动机构，它内部的减速机构简化了系统机构设计。利用L298N为控制芯片去驱动直流减速电机。L298N是双H桥高电压大电流功率集成电路，直接采用TTL逻辑电平控制，驱动电压可达46V，直流电流总和可达4A，内部有2个完全相同的PWM功率放大回路，两路输出可分别控制水平方向和俯仰方向旋转。其与电机的驱动电路如图6所示。

图6 直流电机驱动电路图

5软件设计

   系统流程图如图5所示。系统首先初始化相应模块，再读取当前时间，判断是否在白天的7:00—18:00。系统首次跟踪时刻在7：00时，选择视日运动轨迹跟踪方法让电机旋转到7:15时刻的位置，到7：15时再通过光电检测模块检测光强偏差是否超过阀值，若超过光强阀值，则启动光电跟踪，再延时15分钟到7:30时刻进入下次跟踪。如此循环，到18:00时刻系统停止跟踪，实现全天自动跟踪太阳的目的。

图5系统控制流程图

6系统运行结果与总结

本文设计的光伏发电逐日跟踪控制系统在晴天运行良好，短暂阴云天可以自动停止光电跟踪，只进行视日运动轨迹跟踪，长时间的阴雨天系统停止跟踪。

参考文献

[1] 王尚文，高伟，黄树红等．混合双轴太阳自动跟踪装置的研究[J]．可再生能源，2007，25(6)：10 13．

[2] 侯长来.太阳跟踪装置的双模式控制系统[J].可再生能源， 2010，28(1)： 92. 

[3] 冯作全，贺成柱．基于TMS320F2812 DSP的定日镜跟踪控制系统的设计[J]．机械研究与应用，2012，(4)： 1 168．

[4] 彭春明．基于嵌入式的光伏发电自动跟踪控制系统设计[D]．南京：南京理工大学，2012．

[5] 常玲．步进电机启动频率对太阳能发电系统效率影响[J]. 电子科技，2012，25(6)：142 148．

[6] 杨志成，柳浩，孔翔斌等．基于DSP的太阳能跟踪控制系统研究[J]．计算技术与自动化，2011，30(2)：38 41．